近红外技术（近红外技术（Nearinfrared）及其在药学领域）及其在药学领域的应用的应用1X X射线射线 远紫外光远紫外光 近紫外光近紫外光 可见光可见光 近红外中红外近红外中红外 远红外远红外 微波微波 射频射频100 nm 200 nm 400 nm 800nm(0.8 m) 50 m 400 m 1m 5m电子能级跃迁电子能级跃迁分子振动与分子振动与转动能级跃迁转动能级跃迁转动能转动能级跃迁级跃迁电子和核电子和核自旋能级自旋能级跃迁跃迁电磁波谱电磁波谱2什么是红外光谱（什么是红外光谱（IR）？）？红外光谱是由于分子的红外光谱是由于分子的振动能级的跃迁振动能级的跃迁而而产生的，当物质吸收一定波长的红外光的能量产生的，当物质吸收一定波长的红外光的能量时，就发生振动能级的跃迁。时，就发生振动能级的跃迁。 分子的振动分为：伸缩振动（分子的振动分为：伸缩振动（ ）、弯曲）、弯曲振动（振动（ ）。）。3分子的振动类型分子的振动类型 （1 1）Streching VibrationStreching Vibration成键原子沿着键轴的成键原子沿着键轴的伸长或缩短（键长发生改变，键角不变）。伸长或缩短（键长发生改变，键角不变）。 Diatomic molecular - a streching Diatomic molecular - a streching vibrationvibration4（2 2）弯曲振动）弯曲振动 (Bending Vibrations) (Bending Vibrations)引起键角改变引起键角改变的振动的振动 5l红外光能量（红外光能量（E=0.05-1.0evE=0.05-1.0ev）l紫外光能量（紫外光能量（E=1-20evE=1-20ev）lIRIR能量较低，能引起分子振动能级和转动能级的能量较低，能引起分子振动能级和转动能级的跃迁，又称为跃迁，又称为分子振动光谱或振转光谱分子振动光谱或振转光谱。6红外光谱的特点红外光谱的特点l1 1、特征性强、特征性强构成化合物的原子质量、化学键、原子的连构成化合物的原子质量、化学键、原子的连接次序和空间位置不同都会造成红外光谱的接次序和空间位置不同都会造成红外光谱的差别。差别。l2 2、适用范围广：、适用范围广： 固态、液态或气态都可进行测定。固态、液态或气态都可进行测定。7重要区域重要区域l（1 1）近红外：）近红外：波长在波长在0.76-2.50.76-2.5 m m之间（波数之间（波数12820-4000cm-112820-4000cm-1）l（2 2）中红外：中红外：波长在波长在2.5-252.5-25 m m（在（在4000-400 cm-14000-400 cm-1，通常所用的红外光谱是在这一段的（通常所用的红外光谱是在这一段的（2.5-152.5-15 m m，即即 4000-660 cm-1 4000-660 cm-1）光谱范围）光谱范围l（3 3） 远红外：远红外：波长在波长在251000251000 m m（在（在400-10 cm-1400-10 cm-1）8中红外区域中红外区域l 特征吸收峰和指纹区特征吸收峰和指纹区l在红外光谱上波数在在红外光谱上波数在 38001400cm-138001400cm-1 高频区高频区域的吸收峰主要是由化学键和官能团的伸缩振域的吸收峰主要是由化学键和官能团的伸缩振动产生的动产生的, ,故称为特征吸收峰故称为特征吸收峰( (或官能团区或官能团区) )。l在红外光谱上波数在在红外光谱上波数在1400650cm-11400650cm-1 低区域吸低区域吸收峰密集而复杂，像人的指纹一样，所以叫收峰密集而复杂，像人的指纹一样，所以叫指指纹区纹区。9中红外区域中红外区域官能团区分为：官能团区分为：X-HX-H区、三键区和双键区。区、三键区和双键区。10主要官能团的吸收区域主要官能团的吸收区域11红外光谱表示方法红外光谱表示方法l横坐标：吸收波长横坐标：吸收波长( ( ) )或波数或波数( ( ) )。吸收峰位置。吸收峰位置。l纵坐标：透过率纵坐标：透过率(T%)(T%)或吸光度或吸光度(A)(A)。吸收峰强度。吸收峰强度。12什么是近红外光谱（什么是近红外光谱（NIRNIR）？）？l属于分子振动光谱属于分子振动光谱lASTMASTM（美国试验和材料协会）将近红外光谱区（美国试验和材料协会）将近红外光谱区的范围定义为的范围定义为780-2526nm (128203959cm780-2526nm (128203959cm-1-1) )，l分为短波分为短波(780(780一一1000nm)1000nm)和长波和长波(1100(1100一一2526nm)2526nm)两个区域两个区域l主要反映分子中主要反映分子中C C一一H H、N N一一H H与与0 0一一H H基团的倍频基团的倍频和合频振动吸收和合频振动吸收13与其他光谱的比较与其他光谱的比较14信息特点信息特点l信号频率类似可见光，易于采集和处理信号频率类似可见光，易于采集和处理l光谱信息类似于中红外，信息丰富光谱信息类似于中红外，信息丰富l信息强度比中红外区低，谱带宽，吸收弱，光信息强度比中红外区低，谱带宽，吸收弱，光谱容易变动，背景复杂，吸收峰重叠谱容易变动，背景复杂，吸收峰重叠-需需要经计算机特殊处理要经计算机特殊处理。15近红外光谱的近红外光谱的技术分类技术分类l常规分析技术：常规分析技术：透射和反射光谱透射和反射光谱两类。两类。l透射光谱透射光谱透明的真溶液或固体样品，仪器测量透明的真溶液或固体样品，仪器测量得到的吸光度与样品的浓度之间遵守比尔一朗伯定得到的吸光度与样品的浓度之间遵守比尔一朗伯定律律; ;l漫反射光谱漫反射光谱固体和半固体样品固体和半固体样品样品的结构样品的结构和组成信息和组成信息l常规反射光谱常规反射光谱不带有分析样品的组成信息不带有分析样品的组成信息16产生与发展历史产生与发展历史l18001800年，人类发现的第一个非可见光谱区域，年，人类发现的第一个非可见光谱区域，l19501950年代，初步在农副产品上应用年代，初步在农副产品上应用l19601960年代，因灵敏度低、抗干扰性差，淡出分析领域年代，因灵敏度低、抗干扰性差，淡出分析领域l“光谱技术中的沉睡者光谱技术中的沉睡者”。l19801980年代后，重新被认识，成为一门独立分析技术，年代后，重新被认识，成为一门独立分析技术，分析化学领域被誉为分析分析化学领域被誉为分析“巨人巨人”17技术优势技术优势l1 1、分析对象广泛：几乎可用于所有与、分析对象广泛：几乎可用于所有与含氢基团含氢基团有关的有关的样品物化性质分析样品物化性质分析l2 2、吸收强度低，、吸收强度低，穿透深度大穿透深度大l3 3、分析快速简便，无须复杂处理，通过数模可以同时、分析快速简便，无须复杂处理，通过数模可以同时得到多个样品的多个参数得到多个样品的多个参数l4 4、可使用光纤传输，近红外区的波长短，不被玻璃或、可使用光纤传输，近红外区的波长短，不被玻璃或石英介质吸收，适用于石英介质吸收，适用于远程控制远程控制l5 5、可用于、可用于定性定量分析定性定量分析，通过数学矫正模式来实现，通过数学矫正模式来实现l6 6、无损样品无损样品，无污染，无污染18技术不足技术不足l1 1、检测极限一般为、检测极限一般为0.1%0.1%，只适合，只适合常量分常量分析析，尚难以进行痕量分析。，尚难以进行痕量分析。l2 2、一种间接分析技术，对于经常性的质、一种间接分析技术，对于经常性的质量控制十分经济且快速，但对于偶尔的量控制十分经济且快速，但对于偶尔的分析或分散性样品不太适用。分析或分散性样品不太适用。19近红外光谱分析技术的基本方法近红外光谱分析技术的基本方法1 1、代表性样品选择代表性样品选择测量其近红外光谱。测量其近红外光谱。2 2、数据采集数据采集采用标准或认可的参考方法测定所采用标准或认可的参考方法测定所关心的组成或性质数据。关心的组成或性质数据。3 3、建模建模通过合理的化学计量学方法建立校正模通过合理的化学计量学方法建立校正模型，为消除各种因素对光谱的干扰型，为消除各种因素对光谱的干扰, , 需要对光谱进行需要对光谱进行预处理。预处理。4 4、未知样本组成性质的测定。、未知样本组成性质的测定。20近红外光谱分析技术的基本方法近红外光谱分析技术的基本方法21定性分析定性分析l依靠已知和未知样品谱图的比较来完成的。依靠已知和未知样品谱图的比较来完成的。l一般须一般须借助计算机模式识别借助计算机模式识别方法方可完成。方法方可完成。l方法方法：相似系数法、马氏距离法、主成分分析、：相似系数法、马氏距离法、主成分分析、主成分分析结合马氏距离法、主成分分析结合马氏距离法、BEASTBEAST法、法、SnSn近近CACA法和人工神经元网络法法和人工神经元网络法22定量分析定量分析l属于属于多元校正多元校正范畴，范畴，l最常使用的多元校正最常使用的多元校正算法有算法有多元线性回归、多元线性回归、主成分回归、偏最小主成分回归、偏最小二乘回归二乘回归等等。23在药学领域的应用在药学领域的应用l1 1、原料药分析、原料药分析l快速测试原料，保证反应的顺利进行。快速测试原料，保证反应的顺利进行。l例：例：NIRNIR测量酸的纯度，可替代复杂的微分量热法、测量酸的纯度，可替代复杂的微分量热法、x x射射线衍射和热重分析法。线衍射和热重分析法。采用采用NIRNIR直接识别了装在密闭容器中的材料直接识别了装在密闭容器中的材料242、辅料识别、辅料识别l快速识别快速识别色泽、外观都非常相似，色泽、外观都非常相似，极易混淆的辅料。极易混淆的辅料。l用线性判别方法用线性判别方法识别了在基本物理参数如识别了在基本物理参数如密度和结晶度等方面具有差异的不同药用辅料密度和结晶度等方面具有差异的不同药用辅料; ;25l采用近红外光谱对采用近红外光谱对1010种药物辅料种药物辅料( (无水磷无水磷酸氢二钙、无水乳糖、乳糖、硬脂酸镁、酸氢二钙、无水乳糖、乳糖、硬脂酸镁、淀粉、硫酸月桂酸钠、聚乙烯毗咯烷酮、淀粉、硫酸月桂酸钠、聚乙烯毗咯烷酮、微晶纤维素等微晶纤维素等) )进行分类鉴别。进行分类鉴别。263、成药鉴别、成药鉴别l快速、直接、原位与非破坏性分析快速、直接、原位与非破坏性分析市场上市场上的假药、劣药的假药、劣药lNIRNIR符合这一需要符合这一需要274、天然药物鉴别、天然药物鉴别l快速识别快速识别产地不同的同一类药材保产地不同的同一类药材保证其制剂的药效稳定。证其制剂的药效稳定。l区分区分各种假冒伪劣品，有效、快速各种假冒伪劣品，有效、快速地判别天然药物的优劣真伪地判别天然药物的优劣真伪285、药物生产过程监控、药物生产过程监控l实现动态分析实现动态分析NRISNRIS分析的特点使得分析的特点使得近红外分析技术特别适宜于在线的过程近红外分析技术特别适宜于在线的过程控制分析。控制分析。29NIR在中药领域的应用在中药领域的应用301 1、中药材白芷的真伪判别、中药材白芷的真伪判别31中药材白芷的真伪判别中药材白芷的真伪判别32中药材白芷真伪判别中药材白芷真伪判别332 2、中药材的产地分析、中药材的产地分析NIR NIR 光谱分析技术能够以非破坏方式从样本直光谱分析技术能够以非破坏方式从样本直接获取分析信息接获取分析信息, , 有效地避免样品因预处理所有效地避免样品因预处理所造成的微量造成的微量( (或次要或次要) ) 组分的损失以及组分存在组分的损失以及组分存在形态变化形态变化, , 最大限度地保留不同产地的相同种类中药材样最大限度地保留不同产地的相同种类中药材样本之间的微小差异本之间的微小差异, , 已经广泛用于判定人参、已经广泛用于判定人参、丹参、黄芪等药材产地丹参、黄芪等药材产地34中药材的产地分析中药材的产地分析黄芪样本的近红外光谱的标准偏差图黄芪样本的近红外光谱的标准偏差图黄芪样本的近红外光谱的标准偏差图黄芪样本的近红外光谱的标准偏差图353 3、中药材成分定量分析、中药材成分定量分析l传统的分析方法是不连续的传统的分析方法是不连续的, , 并且通常情况下并且通常情况下1 1 次分次分析只能测定析只能测定1 1 种成分或种成分或1 1 个参数。而近红外光谱在线个参数。而近红外光谱在线分析技术可以连续测定多个成分和多个参数分析技术可以连续测定多个成分和多个参数, , 极大的极大的缩短了分析时间缩短了分析时间, , 提高了分析效率提高了分析效率36中成药的近红外光谱分析中成药的近红外光谱分析l杜德国等，杜德国等， 应用近红外光谱方法定量分应用近红外光谱方法定量分析复方芦丁片中芦丁和维生素析复方芦丁片中芦丁和维生素C C的含量，的含量，所建立的预测方程对样品的预测值和真所建立的预测方程对样品的预测值和真实值之间的相关系数为实值之间的相关系数为99.75%99.75%， 具有快具有快速、准确和无损等特点速、准确和无损等特点. . 37在中药应用中存在的主要问题在中药应用中存在的主要问题l1 1、中药化学基础研究的不足、中药化学基础研究的不足l2 2、近红外光谱技术存在分析浓度下限、近红外光谱技术存在分析浓度下限明确或潜在可能的有效化学成分的含量往往达不到分析明确或潜在可能的有效化学成分的含量往往达不到分析的浓度下限的浓度下限对大类组分，对大类组分， 如总黄酮、总皂甙、总生物碱等的分析，如总黄酮、总皂甙、总生物碱等的分析， 以及提取物中有效组分的分析上是可行、且有优势以及提取物中有效组分的分析上是可行、且有优势l3 3、需要特征信息提取和处理技术、需要特征信息提取和处理技术信息弱，存在噪音信息弱，存在噪音38中药领域中的应用前景展望中药领域中的应用前景展望l1 1、近红外光谱技术在、近红外光谱技术在GAPGAP中的应用中的应用在对药用植物实行品种、产地、栽培条件等方面的监督和在对药用植物实行品种、产地、栽培条件等方面的监督和管理之后，管理之后， 能够使药材质量稳定在一个较高的水准能够使药材质量稳定在一个较高的水准l2 2、固体中药药剂的表征、固体中药药剂的表征近红外光谱结合漫反射技术可以测定固体中药制剂的各种近红外光谱结合漫反射技术可以测定固体中药制剂的各种物理化学参数，物理化学参数， 如湿度、含量均一性、颗粒大小分布、如湿度、含量均一性、颗粒大小分布、硬度等硬度等l3 3、中药生产过程的在线监控、中药生产过程的在线监控39